達(dá) 瑞 劉永琦 蘇 韞 孫少伯

1817年，德國德斯特羅邁爾從不純的氧化鋅中分離出褐色粉，使其與木炭加熱，制成鎘，并以含鋅的礦口菱鋅礦的名稱Calamine，命名為Cadmium，元素符號為Cd，現(xiàn)被廣泛用于電鍍、顏料生產(chǎn)及熒光粉生產(chǎn)中。鎘是一種毒性很強的重金屬，在體內(nèi)易蓄積，被機體吸收后，自然排泄十分緩慢，在人體中鎘的生物半衰期為9～30年。由于其對人的毒性較大，已被美國毒性管理委員會(ATSDR)列為第6位危害人類健康的有毒物質(zhì)，國際癌癥研究中心(IARC)在1987年將鎘列為人類肺癌及前列腺癌的可疑致癌物［1］。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，給雄性大鼠皮下注射鎘，還可致其睪丸、精囊、前列腺重量減輕，精子濃度及形態(tài)出現(xiàn)異常，精子成活率大大降低［2］。說明鎘不僅可引起機體的急性和慢性中毒，而且對哺乳動物具有較強的致畸、致癌、致突變作用。研究表明，鎘及其化合物均具有毒性。吸入氧化鎘可致急性中毒，出現(xiàn)胸痛、頭暈、惡心、腹痛、腹瀉，嚴(yán)重者可出現(xiàn)呼吸困難及休克。

1 鎘對遺傳損傷的作用

1.1 基因突變試驗 基因突變試驗(gene mutation test，GMT)即針對化學(xué)致突變物的基因檢測試驗，是對致癌物質(zhì)進(jìn)行初篩，和人類預(yù)防癌癥的重要手段，也是對化學(xué)物毒性及毒理研究中應(yīng)用最為廣泛技術(shù)。在基因突變研究中，采用不同的載體細(xì)胞，選擇化學(xué)物適當(dāng)?shù)臐舛燃白饔脮r間，可出現(xiàn)基因的變化。Ames試驗是檢測化學(xué)物質(zhì)基因突變的常用方法，常規(guī)的Ames試驗選用四個測試菌株(TA97、TA98、TA100、TA102)。通過基因突變試驗結(jié)果表明，氯化鎘及硫酸鎘具有致畸變的作用。Ochi［3］等用氯化鎘誘導(dǎo)中國倉鼠V70細(xì)胞的6-硫鳥嘌呤抗性突變子(6-TG7)及DNA單鏈裂解，均出現(xiàn)陽性結(jié)果。O＇Brien P［4］等發(fā)現(xiàn)試驗中當(dāng)使用氯化鎘濃度為5 mg/kg時，可引起大鼠骨髓細(xì)胞產(chǎn)生裂隙和染色體破裂，并出現(xiàn)多樣染色體畸變或改變。

1.2 DNA損傷試驗 單細(xì)胞凝膠電泳分析(single cell gel eletrophoresis，SCGE)是近年來逐步完善而發(fā)展起來的一種快速檢測單細(xì)胞DNA損傷的實驗方法，因其細(xì)胞電泳形狀頗似慧星，又稱慧星試驗(comet assay)，通過測定DNA遷移部分的光密度或遷移長度就可以測定單個細(xì)胞DNA損傷程度，從而確定受試物的作用劑量與DNA損傷效應(yīng)的關(guān)系。鎘具有遺傳毒性作用，而DNA損傷被認(rèn)為是其誘發(fā)細(xì)胞惡變的關(guān)鍵，鎘對DNA的損傷主要表現(xiàn)為單鏈DNA損傷(SSD)、DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)和DNA修復(fù)抑制，鎘對DNA的復(fù)制、修復(fù)的損傷都可直接影響到其對生物的遺傳效應(yīng)。研究表明，低濃度鎘可被體內(nèi)修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)，高濃度鎘不能被體內(nèi)修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)。同時，染鎘的時間越長，DNA損傷越嚴(yán)重。有人在氯化鎘誘導(dǎo)大量肝細(xì)胞及脾細(xì)胞的DNA損傷作用試驗中，發(fā)現(xiàn)鎘的劑量與DNA損傷的程度存在正比關(guān)系，即使用低劑量鎘染毒，肝細(xì)胞及脾細(xì)胞DNA出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而隨著鎘濃度的升高，DNA損傷有加重的趨勢［5］。楊凡［6］等發(fā)現(xiàn)氯化鎘可引起離體小鼠睪丸生殖細(xì)胞DNA的損傷，并對雄性小鼠生殖細(xì)胞具有生殖毒性。

1.3 染色體畸變試驗 染色體畸變試驗(chromosome aberration test，CAT)是檢測化學(xué)物質(zhì)影響染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的基本方法，也是細(xì)胞遺傳學(xué)檢驗方法之一，即制備中期相染色體標(biāo)本，在光鏡下觀察染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)和數(shù)目改變。遺傳學(xué)終點為染色體畸變。在化學(xué)物質(zhì)安全性評價中常選體外CHL細(xì)胞染色體畸變、精原細(xì)胞染色體畸變試驗等檢測化學(xué)物質(zhì)對染色體的影響。鎘可以通過直接或間接損傷染色體而導(dǎo)致染色體出現(xiàn)畸變。研究表明，氯化鎘及硫酸鎘可以引起中國倉鼠V79細(xì)胞和卵巢細(xì)胞(CHO)的染色體出現(xiàn)不同程度的畸變。Nocentini等［7］發(fā)現(xiàn)氯化鎘可引起細(xì)胞的 DNA斷裂。Han等［8］人在體外培養(yǎng)人淋巴瘤細(xì)胞的過程中發(fā)現(xiàn)使用氯化鎘可使姐妹染色單體更換率明顯增加，且與鎘劑量呈相關(guān)關(guān)系。

1.4 微核試驗 微核試驗(micronucleus test，MNT)是檢測染色體或有絲分裂器損傷的一種遺傳毒性試驗方法。無著絲粒的染色體片段或因紡錘體受損而丟失的整個染色體，在細(xì)胞分裂后期仍留在子細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)成為微核。最常用的是嚙齒類動物骨髓嗜多染紅細(xì)胞(PCE)微核試驗，是近些年檢測染色體或有絲分裂器損傷的一種常用的遺傳毒性試驗方法，具有直觀、經(jīng)濟等優(yōu)點。微核試驗的原理:無著絲粒的染色體片段或因紡錘體受損而丟失的整個染色體，在細(xì)胞分裂后期仍留在子細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)成為微核。若受試藥物處理能增加骨髓嗜多染紅細(xì)胞中的微核率，并有劑量-效應(yīng)關(guān)系，則可認(rèn)為該受試物是哺乳動物體細(xì)胞的致突變物。李國慶［9］等發(fā)現(xiàn)氯化鎘能誘發(fā)較高頻率的微核率;處理細(xì)胞6 h、12 h、24 h 時，氯化鎘質(zhì)量濃度為0 ～10.00 mg/L時微核率隨氯化鎘質(zhì)量濃度增加而上升，氯化鎘質(zhì)量濃度大于10.00～40.00 mg/L時微核率隨氯化鎘質(zhì)量濃度增加而下降;有絲分裂指數(shù)隨氯化鎘質(zhì)量濃度上升而下降，隨處理時間的延長而升高;氯化鎘能明顯誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生較高頻率的染色體畸變。

1.5 動物染毒實驗 動物染毒實驗(animals toxicity test)是指讓機體(實驗動物)1次(或24 h內(nèi)多次)接觸外來化合物之后所引起的中毒效應(yīng)，甚至引起死亡，來研究化合物毒性的常用方法。在嚙齒動物實驗中發(fā)現(xiàn)，鎘對多種腫瘤均有潛在的致癌作用。Waisberg等［10］研究發(fā)現(xiàn)，Wistar大鼠持續(xù)吸入CdCl2(12·5、25和50μg/m3)礦塵18個月，出現(xiàn)了有劑量-依賴關(guān)系的原發(fā)性肺癌發(fā)生率的陽性結(jié)果。在接觸組，其發(fā)生率分別為15%、53%、71%，而對照組無肺癌的發(fā)生。同時也有人證實Cd能誘導(dǎo)大鼠血液系統(tǒng)腫瘤發(fā)生及前列腺瘤發(fā)生。在對試驗動物染毒劑量研究方面，盧茜［11］等在氯化鎘腹腔注射對SD大鼠的急性毒性研究中發(fā)現(xiàn)注射氯化鎘的劑量多少直接影響到大鼠的存活率。試驗發(fā)現(xiàn)大鼠對氯化鎘注射的絕對致死量為26.00 mg/kg，最大耐受劑量為11.54 mg/kg，鎘中毒大鼠一般在8 h內(nèi)死亡，少數(shù)在72 h內(nèi)死亡;CdCl2溶液腹腔注射對大鼠的 LD50 為 18.37 mg/kg，95% 的可信區(qū)間是 16.56～20.38 mg/kg。

1.6 細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗 細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(cell transformation test)是通過對哺乳動物細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，之后檢測化學(xué)物誘導(dǎo)體外細(xì)胞變化的實驗方法。在細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗中發(fā)現(xiàn)鎘對動物正常細(xì)胞的致畸變作用。Terracio等［12］將發(fā)生轉(zhuǎn)化的大鼠前列腺細(xì)胞(RPr)接種于新生的大鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種后的大鼠約有95%至100%都出現(xiàn)了腫瘤，平均潛伏期為20 d左右。

2 鎘遺傳毒性作用的機制

2.1 氧自由基理論 大量研究證明，自由基和氧化性損傷參與了鎘遺傳毒性的發(fā)生，其證據(jù)為:(1)CdCl2誘發(fā)V79細(xì)胞DNA單鏈斷裂僅在有氧的情況下發(fā)生;(2)給予抗氧化劑和自由基清除劑如甘露醇、二叔丁基對甲酚(BHT)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽、維生素E、維生素C等可拮抗鎘的遺傳毒性，而CAT抑制劑3-氨基-1，2，4-三氨唑可增強鎘的遺傳毒性，鎘可以通過產(chǎn)生大量的氧自由基而引起DNA損傷;(3)鎘接觸人群、染鎘的哺乳動物或體外培養(yǎng)細(xì)胞在出現(xiàn)遺傳損傷的同時，過氧化指標(biāo)也增高，包括機體抗氧化防御系統(tǒng)的破壞。細(xì)胞在有氧代謝過程中會產(chǎn)生大量的活性氧，如果超過了體內(nèi)自身自由基清除的能力，就會產(chǎn)生自由基攻擊而引起DNA損傷。研究表明，鎘及其化合物產(chǎn)生的活性自由基參與了鎘致DNA斷裂的作用，造成DNA損傷。氯化鎘引起細(xì)胞氧化劑過量產(chǎn)生，并伴有黃嘌呤氧化酶活性的增強、腎谷胱甘肽活性減弱、過氧化氫酶及其他谷胱甘肽依賴性酶的抑制［13］。

2.2 鎘對細(xì)胞器的損傷 鎘在體內(nèi)外可引起多種哺乳動物細(xì)胞微核率增高，并使某些細(xì)胞出現(xiàn)非整倍體或多倍體，這提示鎘可能對有絲分裂有干擾作用。Vetbost［14］報道鎘能影響細(xì)胞內(nèi)的紡錘體，從而使減數(shù)分裂期的染色體不分離或出現(xiàn)染色體橋、多核細(xì)胞等。以上研究表明，鎘可以影響與細(xì)胞分裂有關(guān)的細(xì)胞器而產(chǎn)生遺傳毒性。

2.3 鎘直接攻擊核酸分子 鎘與DNA直接作用是遺傳損傷的原因之一，而目前普遍認(rèn)同的觀點是鎘主要通過各種間接途徑損傷遺傳物質(zhì)。金屬離子在體內(nèi)可與生物大分子形成金屬螯合物。核酸中的糖、磷酸、各種堿基，尤其是嘌呤堿基的 N、OH或NH2基，極易與金屬結(jié)合，從而改變核酸立體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致堿基錯誤配對或鏈斷裂。鎘可以直接與DNA分子中的磷酸、堿基等發(fā)生相互作用，最終引起DNA受損，形成修飾堿基g-羥基多嘌呤、胞嘧啶二醇等［15］。

2.4 鎘調(diào)控翻譯水平上基因表達(dá) 周志衡［16］等發(fā)現(xiàn)氯化錫在誘發(fā)16HBE細(xì)胞惡變過程中，存在明顯的蛋白翻譯啟動因子hOGG1的mRNA異常表達(dá)現(xiàn)象，其表達(dá)水平與細(xì)胞的惡變程度密切相關(guān)，這可能是氯化鎘誘發(fā)人細(xì)胞腫瘤的重要分子致癌機制之一。除上述幾種機制外，鎘還有可能通過對鈣調(diào)素的刺激作用產(chǎn)生微管的解聚，影響細(xì)胞的有絲分裂而產(chǎn)生遺傳毒性。

綜上所述，大量實驗表明鎘是一種有遺傳毒性的金屬，其機理可能涉及鎘通過氧自由基損傷、直接或間接損傷細(xì)胞器、直接攻擊DNA核酸、影響特定基因表達(dá)等多方面，探討鎘及其化合物的遺傳毒性作用及產(chǎn)生機制，對于預(yù)防工業(yè)、生活鎘中毒有重要意義。

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